连载:兰利研究中心的创新历程(之六)涡襟翼技术的应用研究

涡襟翼概念是通过采用一些特殊设计的机翼前缘襟翼,改善对前缘涡流的控制,增加大后掠机翼的升阻比,改进飞机在跨声速飞行条件下的机动性能和在近距格斗中的大迎角机动性能。     

高机动性歼击机升阻特性研究

本文通过理论分析,工程估算和11000多次风洞试验,研究了后掠机翼、三角机翼和曲前缘机翼参数对歼击机升阻特性的影响,以及对改善高机动性歼击机升阻特性的各种气动力措施、增升装置、放宽静安定度等进行了系统研究。研究结果表明,中等展弦比、中等后掠角的切尖三角翼是一种较好的高机动性歼击机机翼。利用压缩飞机最大迎风面积和面积律修形降低跨、超音速零升阻力,利用机翼前缘扭转减小小迎角阻力,利用机动襟翼和机翼边条减小大迎角阻力,这样可使飞机在各种迎角情况下都具有最佳阻力。利用边条增大飞机升力。综合使用边条和机动襟翼降低抖振强度,提高抖振边界。从而全面满足了战术性能指标要求。     

大型客机后缘铰链襟翼巡航变弯度气动性能数值研究

更高、更快、减阻是飞机设计三大永恒的追求。传统的固定翼飞机在进行优化设计时需兼顾各种飞行条件,寻求一个折中的最优解,而变弯度机翼的概念能有效解决这个问题,符合上述飞机设计的三大追求。着重研究大型宽体客机后缘襟翼刚性变弯度对巡航气动效率及跨声速抖振边界的影响。首先基于下垂式铰链襟翼机构,编制了机构引导下带扰流板联合偏转的后缘襟翼运动仿真程序,以自动生成不同襟翼偏角的巡航构型。在此基础上对巡航构型进行非稳态气动计算,获得跨声速区机翼抖振边界。以该抖振边界作为约束条件,以襟翼偏角、迎角为双变量,获得Cl-K关系图,得到最优升阻比曲线。本文中襟翼偏角变化为0°~±3°,间隔1°;迎角范围为-2°~5°,间隔1°。计算结果表明,变弯度构型较不变弯度构型升阻比有所提高,抖振边界约提高10%;变弯度构型可提高不同设计点的气动效率,实现减阻省油;跨声速区机翼抖振边界的提高扩大了飞行包线,使得飞机能飞得更高、更快。     

先进战斗机全动V尾抖振动强度设计与验证

大迎角（AoA）机动飞行能力是先进战斗机的标志性指标之一，中国先进战斗机采用V型垂尾布局的气动设计方案，可充分实现其良好的大迎角机动可控飞行。飞机在大迎角机动飞行时，前机身分离流所产生的高强度脱体涡破裂后产生的非定常扰流将不可避免地打在V型垂尾翼面上，导致V尾结构发生严重的抖振，这不仅会影响飞机的飞行品质等性能，还会导致V尾结构的疲劳损伤，大幅增加飞机的使用维护成本。本文详细阐述了其研发设计过程中攻克的以下关键技术：全动V尾抖振风洞试验"刚/弹"组合模型的设计技术与风洞试验方法，抖振风洞试验的动态测试结果向飞机尺度进行相似转换的原理；基于RANS/LES混合算法进行V尾结构抖振响应的CFD/CSD耦合计算方法；基于正加速度反馈（PAF）的V尾抖振响应压电控制技术；V尾抖振动态疲劳载荷谱的编谱方法与试验实施方案。本文为解决中国先进战斗机、无人机V尾结构抗抖振动强度设计与验证建立了一套较完备理论分析技术、设计准则和试验方法。     

基于后缘襟翼偏转的大型客机变弯度技术减阻收益

为了满足工程实际约束，针对宽体客机内外襟翼位置与偏角卡位进行了机翼后缘变弯度减阻收益研究。使用雷诺-平均Navier-Stokes（RANS）方程对襟翼不同后缘偏角采用遍历的方式进行了气动力评估，得到后缘襟翼最佳偏角；探究了变弯度技术在非设计点的减阻收益，以及变弯度技术对宽体客机阻力发散和抖振边界设计要求的拓展能力，进一步采用远场阻力分解方法探究了设计结果的减阻机理。结果表明，在变马赫数的非设计点，考虑俯仰力矩系数配平之前，阻力能获得一些收益，但考虑俯仰力矩系数配平后，变弯度后的阻力系数不减反增；当升力系数发生变化时，变弯度在考虑俯仰力矩配平的情况下，均能取得一定的收益；变弯度技术也减缓了抖振点激波诱导分离的趋势，对抖振特性有较好的改善作用。基于后缘襟翼偏转的变弯度减阻收益评估和机理分析，能为宽体客机机翼变弯度设计提供参考。     

飞机大迎角飞行问题研究综述

近距格斗在未来的空战格斗中仍不可避免,大迎角下精准且快速的机头指向能力是空优战斗机必须具备的基本特征,对提升飞机本身的生存能力和夺取制空权具有重要意义。本文根据国内外战斗机的大迎角特点,对大迎角气动特性、风洞试验方法、气动力建模方法、非线性飞行动力学特性分析方法、大迎角控制律设计、飞行试验等方法进行了综合论述,对未来大迎角飞行问题的研究方向进行了展望。     

飞机大迎角飞行品质研究的进展

叙述了战斗机大迎角飞行品质研究的进展情况。说明了当代战斗机的作战环境和作战方式以及由此提出的大迎角机动飞行的背景。着重介绍了国外过失速区大迎角飞行品质研究的主要方面,飞行动力学机理,操纵效能,推力矢量及其控制律,飞行品质要求及其验证和评价方法,由此得出相应的结论。     

前掠翼根部流动分离的控制

 在风洞和水洞中研究了机翼根部修形、活动边条、固定边条、边条襟翼和链接边条在控制前掠翼根部流动分离方面的作用。分析了上述措施对机翼流动的干扰机理及其对气动性能的影响。研究结果表明,各种措施对控制前掠翼根部流动分离均有明显效果,可提高大迎角升阻特性,改善纵向力矩特性和配平能力。固定边条和边条襟翼还可改善中小迎角的升阻性能,链接边条和边条襟翼则可使失速性能提高。加鸭翼后上述气动收益更加明显。     

飞机大迎角飞行品质研究的进展

大迎角飞行品质要求的背景众所周知，在失速迎角前，能大迎角作无忧虑机动是当代（第三代）战斗机的标志，而具有过失速机动能力却是下一代（第四代）战斗机的重要特征。战斗机在失速迎角前后大迎角区作机动飞行的要求也是根据作战环境和作战方式确定的。当代战斗机面临着地（面指挥所）、空（中预警机）、天（卫星）实时侦察情报和指挥、控制和通信的统一这种作战环境。同时，70年代以来，随着机载雷达、火力控制系统和导弹武器的迅速发展，在战斗机上已经实现了雷达与火控系统甚至飞行控制系统的一体化。作为空战的主要武器──导弹也已发…     

机动襟翼控制律和飞机动态特性研究

本文讨论了机动襟翼控制律的设计原理,提供了飞机及其机动襟翼系统动态特性计算的数学模型,并以某战斗机为例探讨了带机动襟翼飞机飞行品质的某些特性.本文结果可供军用飞机及民用飞机及其主动控制系统设计参考。     

战斗机推力矢量关键技术及应用展望

战斗机推力矢量技术可极大地扩展战斗机使用包线,提升飞行安全性,增强飞机作战能力,是航空领域的重要关键技术,是先进战斗机的典型标志之一。该技术涉及气动、进排气、发动机和飞行控制等多个领域,其综合实现是一项跨领域、紧耦合、高风险的系统工程。本文回顾了战斗机推力矢量技术的发展历程,分析了关键技术体系,结合中国首架轴对称推力矢量验证机的工程实践,阐述了大迎角内外流气动设计、推力矢量发动机、综合飞/发控制和战斗机过失速机动飞行验证等关键技术,展望了推力矢量技术对作战效能的贡献及未来的应用方向。     

基于动态RCS的隐身飞机探测概率研究

动态RCS是影响战斗机突防概率的重要因素。围绕动态RCS这一关键要素,建立了空空动态RCS求解模型,得到了典型机动下战斗机的动态RCS变化规律,并分析了基于动态RCS的典型机动下的雷达探测概率。基于仿真的静态RCS数据库,耦合飞机抖动模型,研究了拉升机动、空间机动以及空空对抗下某型隐身飞机的动态RCS。通过仿真发现:战斗机的机腹、垂尾及尾喷管部位RCS较大,从而导致了较高的探测概率;对于拉升机动,保持较大的航路捷径更有利于隐蔽突防。     

一种过失速区飞行敏捷性评估方法的研究

在评估过失速机动飞行的敏捷性中，首先建立了具有过失速机动（ＰＳＴ）能力的战斗机Ｆ２的数学模型，对常规战斗机Ｆ１与ＰＳＴ战斗机Ｆ２的空战进行了数值仿真，计算了在两架战斗机中Ｆ２首先攻击时间（ｔ１）和攻击时间范围（ＴＷＩＦＥ）。结果表明，战斗机Ｆ２比Ｆ１更具有空中格斗优势，空战中发动机推力、迎角变化率、操纵规律和离轴发射角（μ０）等因素对战斗机过失速机动敏捷性有一定影响。     

Suggestion for aircraft flying qualities requirements of a short-range air combat mission

Owing to the lack of a direct link with the operations in short-range air combat,conventional aircraft flying qualities criteria are inappropriate to guide the design of a task-tailored flight control law.By applying the mission-oriented flying qualities evaluation approach,various aircraft with different control law parameters are evaluated on a ground-based simulator.This paper compares the evaluation results with several conventional flying qualities criteria,and discusses the appropriate parameter combination to reflect the flying qualities requirements of short-range air combat,The comparison and analysis show that a short-range air combat mission requires a higher minimum short period mode natural frequency and a smaller maximum roll mode time constant,and allows a lower minimum pitch attitude bandwidth and a higher maximum short period mode damp ratio than those of conventional flying qualities criteria.Furthermore,a combination of the pitch attitude bandwidth,the pitch attitude magnitude at the bandwidth frequency,and the pitch attitude transfer function gain can define the flying qualities requirements of short-range air com bat.The new metric can successfully predict the flying quality levels of aircraft in a short-range air combat mission.     

小展弦比飞翼大迎角状态空间气动力建模

现代军机大迎角区域性能对空中作战优势的建立有着重要影响,针对大迎角区域建立合适的数学模型对于飞行仿真、稳定性分析和控制律设计都有着重要作用,并且对于解决飞行安全问题和研究飞机失速和尾旋问题具有重要意义。针对小展弦比飞翼标模的迟滞特性,对状态空间模型进行改进,应用大振幅强迫振荡试验数据建立了非定常气动力模型,采用风洞典型机动模拟试验验证状态空间模型的有效性和适用性。结果表明：本文发展并改进的状态空间模型能够准确预测小展弦比飞翼标模不同机动下的非定常气动力特性,具有较强的工程实用性。     

机动襟翼控制规律的设计及飞机动态特性研究

飞机机动襟翼的控制规律~般是通过大量的风洞实验确定的。本文尝试用线性理论和辨识技术给出~个简单的理论设计方法,把襟翼偏角设计成迎角和马赫数的函数,所用数据是所有襟翼偏角对应的升、阻值,无需找出最小阻力包线,从而减少了计算或实验次数。文中用该方法对某型机的机动襟翼控制规律进行了设计,结果表明,该规律的襟翼偏角与实验有利值基本吻合。同时,仿真计算表明飞机的操、稳特性符合军用规范。因此这~方法对飞机设计中确定襟翼控制规律有~定的实际意义。     

边条机翼布局战斗机稳定性改进研究

对边条机翼布局战斗机的纵，横向稳定性改进措施进行了研究，结合具体战斗机布局，给出了边条机翼布局战斗机纵，横向稳定性的一般特征，对前缘襟翼下偏，翼刀，平尾下反和机身截面修形等几种气动布局改进措施的风洞试验结果进行了简要讨论，结果表明，所研究的气动布局改进措施都能有效提高边条机翼布局战斗机的稳定性，其中，前缘襟翼下偏既能完全克服俯仰力矩曲线非线性上翘问题，又能较好地解决横侧向稳定性丧失问题。     

主动雷达制导型空空导弹的火控算法

主动雷达制导型空空导弹是当今战斗飞机最重要的空战武器。一般均采用复合制导模式；具有多目标攻击能力；可以远距拦射，也可以近距格斗。主动雷达制导型空空导弹具有许多重要的特点和优点。本文讨论主动雷达制导型空空导弹的火控攻击算法，内容包括：攻击瞄准向量方程及其求解，主动末制导段起始点目标位置角验算等。     

基于过失速机动动力学的控制方法

为设计过失速大机动飞行控制律，按飞行的逆稳态模型考虑非线性因素的影响，同时对于陀螺、 惯性耦合效应及重力影响进行补偿，并直接根据飞行品质要求按隐式模型跟踪法设计反馈控制器。初步设计实例证明，这种方法适用于过失速机动动力学特点，能够获得发挥飞机操纵潜能、较好地控制飞机实现过失速机动、具有满意飞行品质的控制解，并且控制结构易于工程实现。算例还表明，即使不加装先进的过失速操纵装置，通过对飞行控制律的改进可以进一步发挥飞机本身的气动潜力，使之在一定的过失速迎角不正常工作。